机器速度的波动与调节

当机械工作时，驱动力所做的功和克服阻力所需的功在每一瞬时并不总是相等的。由能量守恒定律可知：在任一时间间隔内，驱动力所做的功和克服阻力所需的功之差，等于该时间间隔内机械动能的变化，即

W＝Wd－Wr＝Ue－Us

式中：Wd、Wr——任一时间间隔内驱动力所做的功和克服阻力所需的功；

W——多余的功或不足的功，称为盈功或亏功；

Ue、Us——该时间间隔结束时和开始时机械中活动构件的动能。

机械动能的变化引起的机械运转速度的波动有周期性和非周期性的两种。

1.周期性速度波动

机械运转速度在某个平均值上、下所作的周期性波动，称为周期性速度波动，如图15－1所示。机械运转速度呈周期性波动时，在一个周期内驱动力所做的功和克服阻力所需的功相等，没有盈亏功，即在周期的开始和结束时机械的动能相等。但在周期中的某段时间内，驱动力所做的功，有时大于克服阻力所需的功，出现盈功，使速度增高，有时小于克服阻力所需的功，出现亏功，使速度降低。周期性速度波动会使运动副中产生附加的动压力，引起机械的振动。

控制周期性速度波动，使速度在允许的范围内波动，称为周期性速度波动的调节。周期性速度波动的调节方法是在机械的回转构件上加装一个转动惯量较大的回转件，称为飞轮。加装飞轮后，当驱动力所做的功大于克服阻力所需的功时，飞轮转速增加，将盈功转变为动能储存起来，但由于转动惯量增加，回转构件的转速上升较少。而当驱动力所做的功小于克服阻力所需的功时，又将动能放出以补偿亏功，同样由于转动惯量增加，回转构件的速度下降也较少，从而可使机械速度波动变小。图15－1中虚线所示为没有安装飞轮时的速度波动，实线表示安装飞轮后速度的波动。

图15－1 周期性速度波动

2.飞轮的基本概念

在一般机械中，飞轮常装在机械的高速轴上，因飞轮的转动惯量较大，转速高，故其动能较大。其他活动构件与飞轮比较动能甚小，故可近似认为飞轮的动能等于整个机械的动能。飞轮轴的最大角速度ωmax与动能的最大值Emax相对应，飞轮轴的最小角速度ωmin与动能的最小值Emax相对应。Emax与Emin之差即为动能的最大变动量，它是与最大盈亏功Wmax相对应的，即

式中：JW——飞轮的转动惯量；

ωm——飞轮的平均角速度（见图15－1），；

δ——机械运转速度的不均匀系数，，表示机械角速度波动的大小与平均角速度之比。

一些机械允许的δ值列于表15－1。

表15－1 机械运转速度的不均匀系数δ允许值

由式（15－1）得

式中：nm——与ωm对应的平均转速。

当已知机械的外力变化规律时，求出其最大盈亏功Wmax，选定允许的不均匀系数δ值和根据平均角速度ωm（或平均转速nm），即可求出所需飞轮的转动惯量JW，以保证机械的速度波动在允许的范围之内。对于圆盘状飞轮，转动惯量为

式中：m——飞轮的质量；

D——飞轮的外径。

对于轮辐状飞轮，忽略轮辐、轮毂，则转动惯量为

式中：Dm——飞轮轮缘的平均直径；

m1——飞轮轮缘的质量。

由转动惯量计算公式（15－2）可知，只要有盈亏功，无论用多大的飞轮，不均匀系数δ都不可能等于零，这表明机械的速度波动总是存在的，而飞轮只是起着减小速度波动的作用。

当飞轮的转动惯量求出后，可根据有关资料确定飞轮直径、宽度和轮缘厚度等尺寸。另外，在实际机械中，有时用增大带轮或齿轮尺寸和质量的方法，使带轮或齿轮兼起飞轮的作用。

3.非周期性速度波动

如果驱动力或阻力发生突然变化，使驱动力所做的功一直大于或一直小于克服阻力所需的功，则机械的速度会一直增大或一直减小，从而机械将因速度过高而损坏或因速度降低而停止运动。这种没有一定周期的速度变化，称为非周期性速度波动。要调节非周期性速度波动，利用飞轮不能达到目的。这时应当采用调节输入系统中的能量的办法，使驱动力的功与阻力的功相适应，以达到新的稳定运转。为此，需采用一种自动调节装置——调速器。

图15－2所示为常见的机械式离心调速器的工作原理图。两重球3分别装在两摇杆的末端，两摇杆铰接在中心轴上并由弹簧拉住，使两球有互相接近的趋势。中心轴经圆锥齿轮与原动机2的主轴相连，原动机则与工作机1相连。当外载荷减小时，原动机和工作机主轴的转速增加，因而调速器中心轴的转速也随之升高，致使重球在离心惯性力作用下远离中心轴，带动套筒4上升。上升的套筒通过连杆机构将节流阀5关小，进入原动机的工作介质（燃气、蒸汽等）便减少，使驱动力减小并与阻力相适应，从而使机械的速度下降并实现稳定运转。反之，如果外载荷增大，工作机和原动机转速降低，重球下落，套筒下降，节流阀开大，进入原动机的工作介质增加，驱动力增大，使机械的速度上升并重新实现稳定运转。

图15－2 机械式离心调速器的工作原理

1—工作机；2—原动机；3—重球；4—套筒；5—节流阀